冶金传热（材料）_3冶金传热设

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有关传热在冶金上的应用

热动0902班 黄炜翔指导老师：日期：2010 9 1

2摘要：热传递现象无时无处不在，它的影响几乎遍及现代所有的工业部门，也渗透到农业、林业等许多技术部门中。可以说除了极个别的情况以外，很难发现一个行业、部门或者工业过程和传热完全没有任何关系。不仅传统工业领域，像能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等要用到许多传热学的有关知识，而且诸如航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域也都在不同程度上有赖于应用传热研究的最新成果，并涌现出像相变与多相流传热、(超)低温传热、微尺度传热、生物传热等许多交叉分支学科。在某些环节上，传热技术及相关材料设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素。现在，本人就介绍一下传热学在冶金上的应用。

关键字：有色冶金 黑色冶金 冶金传热设备

一． 冶金的概念及冶金方法的分类

冶金是研究由矿石或其它含金属原料中提取金属的一门科学。冶金科学通常可以分为黑色冶金和有色金属冶金。前者包括生铁，刚和铁合金(如铬铁，锰铁等)的生产；后者包括其余所有各种金属的生产。

作为冶金原料中的矿石（或精矿），其中除含有所要的提取的金属矿物外，还含有伴生金属矿物以及大量的无用脉络矿石。冶金的任务就是把所要提取的金属从成分复杂的矿物集合物中分离出来并加以提纯，这种分离和提纯过程往往都不能一次完成，需要进行多次。一般来说，冶金过程包括：预备处理，熔炼和精炼三个循序渐进的作业过程。

在现代冶金中，由于矿石（或精矿）的性质和成分，能源，环境保护以及技术条件等情况的不同，故实现上述冶金作业的工艺流程和方法是多种多样的，根据各种方法的特点，大体是可以将其归纳为三类：火法冶金，湿法冶金和电冶金。

1.火法冶金

火法冶金是在高温条件下进行的冶金过程。矿石或精矿中的部分或全部矿物在高温下经过一系列的物理化学变化，生成另一种形态的化合物或单质，分别富集在气体、液体或固体产物中，达到所要提取的金属与脉石及其它杂质的分离的目的。实现火法冶金过程所需要热能，通常是依靠燃料来供给，也有依靠过程中的化学反应来供给的，比如，硫化矿的氧化焙烧和熔炼就无需由燃烧供热；金属热还原过程也自然是自热进行的。

火法冶金包括：干燥、焙解、焙烧、熔炼、精炼、蒸馏等过程。

2.湿法冶金

湿法冶金是溶液中进行的冶金过程。湿法冶金的温度不高，一般低于100℃，现代湿法冶金中的高温高压过程，温度也不高股票200℃左右，极个别情况温度可以达到300℃。湿法冶金包括：浸出、净化、制备金属等过程。

浸出用适当的溶剂处理矿石或精矿，使要提取的金属成某种离子（阳离子后络阴离子）形态进入溶液，而脉石及其它杂质则不溶解，这样的程序叫浸出。浸出后经沉清和过滤，得到含金属（离子）的浸出液和由脉石矿物组成的不容残渣（浸出渣）。对某些难浸出的矿石或精矿，在浸出前常常需要进行预备处理，使被提取的金属转变为易于浸出的某种化合物或盐类。例如，转变为可溶性的硫酸盐而进行的硫酸化焙烧等，都是常用的预备处理方法。净化在浸出过程中，常常有部分金属或非金属杂质与被提取金属一道进入溶液，从溶液中除去这些杂质的过程叫做净化。

制备金属用置换、还原、电积等方法从净化液中将金属提取出来的过程。

3.电冶金

电冶金是利用电能提取金属的方法。根据利用电效能的不同，电冶金又分为电热冶金和

电化冶金。

电热冶金是利用电能转变为热能进行冶炼的方法。在电热冶金中，按其物理化学变化的实质来说，与火法冶金过程的差别不大，两者的主要区别只是冶炼时的来源不同。

电化冶金（电解和电积）是利用化学反应，使金属从含金属盐类的溶液或熔体种析出。前者称为溶液电解，如铜的的电解精炼和锌的电积,可列入湿法冶金一类；后者称为熔盐电解，不仅利用电能的化学反应，而且也利用了电能转化为热能，借以加热金属盐类使之成为熔体，故也可以列入火法冶金一类。

从矿石后精矿石中提取金属的生产工艺流程，比如，硫化铜的火法冶炼，最后还需要有湿法电解精炼过程；而在湿法炼锌中，硫化锌还需要用高温氧化焙烧对原料进行炼前处理。

二． 冶金设备

冶金的设备包括散料输送设备、流体输送设备、冶金传热设设备、混合语搅拌装置、古液分离设备、萃取与离子交换设备、蒸发也结晶设备、电解与电积设备、冶金燃烧装置、焙烧与烧结设备、熔炼设备、烟气收尘与净化设备。冶金过程的顺利进行，是通过上述设备的协同作用，共同完成的。下面我就来介绍几种上述设备，重点讲解传热设备在冶金当中的作用。

1.散料输送设备

金属矿物在进入冶金过程处理之前，都必须进过一系列物理准备过程和化学准备过程。物料经过这些准备处理符合冶金过程的要求后，才能进入冶金炉或其它反应装置，以确保冶金过程正常进行，生产出合格的冶金产品。散料输送设备在冶金生产的整个过程中起着重要的作用，它是实现现代化、自动化连续生产的必要条件之一。

2.流体输送设备

液体和气体都表现出易于变形和流动的性质，统称为流体。冶金工程种普遍遇到流体输送的情况与大多数的提取和精炼过程有着密切的联系。例如湿法冶金中溶液及矿浆的输送、储槽中液位高度的确定、管路的设计计算、火法冶金中炉子的供风与水冷装置、炉内气体流动规律、烟道中烟气的流动阻力及烟道的设计、流态化反应器床层阻力的计算等，都与流体的流动有关。流体输送冶金过程的优化和控制都具有重要的意义。

3.混合与搅拌设备

在冶金反应器中应力器内成分和温度均匀，以提高反应速率和反应效率，在实践中，要实现器内液体混合均匀时不可能的，只能采取工艺措施尽可能地缩短混合均匀时间。用各种方式加强液体搅拌是达到此目的的唯一途径。另外，在金属液烧注，特别是钢的连铸过程中，对钢液的搅拌有利于促进凝固传热和提高铸坯质量，总之，混合和搅拌设备在冶金上起着极为重要的作用。

4.固液分离设备

若物系内部各处物质均匀且不存在相界面，则称其为均相混合物或均相物系，溶液及混合气体都是均想混合物。由具有不同物理性质的分散物质和连续介质组成的物系称为非均相混合物系。在非均相混合物系中，处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散物质或分散相；包围分散物质且处于连续状态的物质称为连续介质或连续相。冶金及其化工过程中常常涉及固体及固体颗粒和液体组成的液态非均相物系。液体为连续相，固体为分散相，这种固体颗粒悬浮于液体中所组成的系统称为悬浮液。固液分离设备就负责这些悬浮液中固液体的分离。

5.萃取与离子交换设备

溶液萃取用于湿法冶炼，在稀土金属和稀有金属的提取中占有极为重要的位置，用萃取法来提取铟、铊、铼等金属，高效节能，总之，溶剂萃取是湿法冶金中的应用进展很快，萃取设备也在冶金中咱重要地位。

离子交换设备室用于水溶液的分离、提取较稀溶液的设备。在溶液中低浓度的溶质的分离、提纯都需要利用到离子交换设备，可见，离子交换设备在冶金领域中发挥着日益重要多作用。

6.蒸发和结晶设备

蒸发设备通过加热溶液移出蒸汽，从而获得较高物质浓度。结晶设备则是从溶液、蒸汽或熔融物质中析出晶体所要利用到的设备。

7.电解和电积设备

电解设备是用于火法冶金工艺提出有色金属，而电积设备则是用于湿法冶金中，使得金属离子在阴极析出的设备。

8.冶金的传热设备

很多冶金的化学反应都需要控制在一定温度下进行，为了维持所要求的温度，物料在进入反应器之前往往需要预热或冷却；在冶金进程中，由于反应本身需吸收或放出热量，又要及时补充或移走热量。如闪速炼钢过程，为了强化熔炼反应，需将富氧气预热至500℃以上；又如硫化锌精矿的流态化焙烧过程，由于反应放出大量的热，炉子外面需设置冷却水套，及时移走多余的热量。此外，还有一些过程虽然没有化学反应发生，但仍需维持在一定的温度下进行，如干燥和结晶，蒸发与热流体的输送等，都直接或间接与传热油关。冶金反应多数素要传热才能完成，冶金传热设备有自己的特点。下面本人就来具体介绍一下传热在冶金上的应用。

A.冶金过程换热的方式

冶金的传热过程是靠各种传热设备来进行的，特殊情况下还要借载热体来输送热量。基本的换热方式主要有一下三种：

（1）间隔是换热：高温流体与低温流体在间壁的一侧，通过流体的对策、器壁的传导综合传热。套管式、列管式、板式和特殊形式的换热器都属于这一类。

(2)间接接触换热：热流体和冷流体直接混合，传质、传热同时进行，不需要传热面。在工业上常用的凉水塔、喷洒式冷却塔、混合冷凝器都属于这一类。

（3）蓄热是换热：讲高温气体通过热容量大的蓄热室，再使冷气体进入该蓄热室吸收热量，冷气体逐渐被加热。这种设备常用在大量余热的冶金、石油等工业上。

B载热体

被加热的物料如果不适合与热源直接接触，可通过中间介质进行加热。被加热的介质把热量传递给需要加热的物料，这种介质称为载热体。常用的载热体为水蒸气、有机载热体、熔盐载热体及液态金属等，其中水蒸气在冶金工程过程中最常用。

（1）直接蒸汽加热：把蒸汽直接通入待加热的物料，设备简单，操作易行；但是加热的结果是物料会被稀释。只有工艺允许，才能使用这种方法。这种加热方法无需特殊设备，只要将有孔的蒸汽喷嘴插入被加热物料中即可。在入口管路应该装有单向阀门，以防止在蒸汽管路压强降低时，被加热物料吸入蒸汽管路中。

（2）间接蒸汽加热：多数加热过程不适于蒸汽直接加热，而需要用间壁式的热交换器通过蒸汽进行间接加热。加热蒸汽冷凝式放出潜热，成为冷凝水而排出，有时冷凝水还可以降到更低的温度以放出更多的热量。

C 换热器的类型

根据结构形状，换热器可以分为蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器、板式换热器、夹套是换热器特殊式换热器。根据用途可以分为加热器、冷却器、预热器、冷凝器和再沸器等。按材料可以分为金属材料和非金属材料换热器。

现在介绍一下冶金工业中常用的热风炉，热风炉是一种蓄热式换热器。热风炉供给高炉的热量约占炼铁耗热的1∕4。目前的风温水平一般为1000∽1200℃，高的为1250∽1350℃，最高的可达1450∽1550℃。高温风是高炉最廉价、利用率最高的能源，风温每提高100℃，约降低焦比4%∽7%，提高产量2%。

热风炉的主要作用是把鼓风加热到高炉要求的温度，是一种按蓄热的原理工作的热交换器。蓄热是热风炉是循环周期工作的，它的一个循环周期可以分为燃烧阶段和送风阶段。热风炉的分类

1.内燃式热风炉

内燃式热风炉包括燃烧室、蓄热室两大部分，并由炉基、炉底、炉衬、炉箅子、支柱等构成。

2.外然式热风炉

外然式热风炉是由内燃式热风炉演变而来的。它的燃烧室设于蓄热室之外，二者在两个室的顶部以一定的方式连接起来。

外然式热风炉的优点是，取消了燃烧室和蓄热室的隔墙，使燃烧室和蓄热室各自独立，从根本上解决了温差、压差造成的砌体破坏。由于圆柱形砖墙和蓄热室的断面得到了充分利用，与内燃式比起来，在相同的加热条件下，外然式热风炉与砌墙直径都较小，故结构稳定。此外，它受热均匀，结构上都有单独膨胀的可行性，稳定性大大提高。由于两室都做成圆形断面，炉内气流分布均匀，有利于燃烧和热交换。

3顶燃式热风炉

所谓顶燃式热风炉，就是只燃烧器安装在热风炉炉顶，在拱顶空间燃烧，不需要专门的燃烧室，又称无燃烧式热风炉。

顶燃式热风炉对比外然式热风炉，有不少优点：

a． 投资小，可节省大量的钢材和耐火材料。

b． 拱顶结构简单，而且均匀对称，对于砖的制造和施工都有利

c． 砌砖结构简单，可节省大量的异形砖，对于砖的制造和施工都有利。

d． 钢结构简单，可以避免应力集中，因而可以避免或减少晶间应力腐蚀可能性。

3.球式热风炉

球式热风炉是用自然堆积的耐火小钱代替格子砖。它蓄热多，有较大的热交换能力，热效率较高，易于获得高风湿。此外，球式热风炉加热面积大，热交换好，风温高，体积小，节省材料，节约投资，施工方便，建设周期短。

总结：无论是有色冶金还是黑色冶金，无论是火法，湿法还是电解法冶金，都只有各种冶金设备的共同作用下才可以完成。其中，传热设备起着及其关键多作用，如果没有先进的传热设备的帮助，冶金工业不可能有今天的成绩，更不会有长足的发展。

参考文献：?冶金设备?

?有色冶金概论?